低溫甲醇洗裝置損傷機(jī)理分析和RBI技術(shù)的應(yīng)用*

栗 帥，肖 暉，宋耀民

（1.河南省鍋爐壓力容器安全檢測(cè)研究院，河南鄭州450016；2.中國特種設(shè)備檢測(cè)研究院，北京100029）

近年來，基于風(fēng)險(xiǎn)的檢驗(yàn)（RBI）技術(shù)已經(jīng)廣泛應(yīng)用到大型裝置特種設(shè)備的檢驗(yàn)中。RBI技術(shù)具有獨(dú)特的優(yōu)勢(shì)，突破了傳統(tǒng)檢驗(yàn)對(duì)檢驗(yàn)周期、檢驗(yàn)方法和檢驗(yàn)比例的約束，在確保設(shè)備安全性和經(jīng)濟(jì)性的基礎(chǔ)上，充分優(yōu)化了檢驗(yàn)策略，為大型裝置的檢驗(yàn)提供了一種新的途徑［1］。RBI技術(shù)是一種以風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估為基礎(chǔ)的設(shè)備檢驗(yàn)技術(shù)，通過分析相關(guān)設(shè)備的損傷失效模式，計(jì)算失效可能性及失效后果，確定設(shè)備的風(fēng)險(xiǎn)等級(jí)，再依據(jù)設(shè)備的風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估結(jié)果制定科學(xué)的檢驗(yàn)策略。對(duì)承擔(dān)高風(fēng)險(xiǎn)的少數(shù)設(shè)備進(jìn)行有針對(duì)性的檢驗(yàn)，合理地分配檢驗(yàn)資源，提高檢驗(yàn)的有效性和科學(xué)性，可以避免過度檢驗(yàn)和檢驗(yàn)不足，從而降低裝置檢驗(yàn)和維修的成本［2-3］。采用RBI技術(shù)方法對(duì)某煤化公司的低溫甲醇洗裝置進(jìn)行了風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估，并對(duì)裝置的風(fēng)險(xiǎn)分布情況和部分設(shè)備存在較高風(fēng)險(xiǎn)的原因進(jìn)行了分析。

1 低溫甲醇洗裝置概況

某煤化公司一套低溫甲醇洗裝置于2012年7月投用，裝置中共包含壓力容器44臺(tái)、壓力管道236條，計(jì)劃于2019年11月進(jìn)行停工檢修。由于裝置中的工藝介質(zhì)難以導(dǎo)出，大部分設(shè)備包覆有絕熱材料，按照常規(guī)檢驗(yàn)方法，絕熱材料拆除工作量大，部分設(shè)備開罐困難，檢驗(yàn)維修成本較高。經(jīng)過綜合考慮，于2019年11月選擇了RBI技術(shù)對(duì)該裝置進(jìn)行檢驗(yàn)。

2 低溫甲醇洗裝置損傷機(jī)理分析

損傷機(jī)理分析是RBI的一項(xiàng)重要工作。低溫甲醇洗裝置中的主要腐蝕介質(zhì)有CO2，H2S，COS，HCN，NH3和氯化物等，裝置的最低操作溫度為-40℃，最高操作溫度為170℃，設(shè)備的主要材質(zhì)是碳鋼和不銹鋼。根據(jù)實(shí)際操作工況和材質(zhì)的腐蝕敏感性，綜合分析該裝置存在的腐蝕機(jī)理［4］。

2.1 酸性水腐蝕

含有H2S的酸性氣體是低溫甲醇洗裝置的主要介質(zhì)之一，在閃蒸遇冷或存在液態(tài)水的環(huán)境中易形成酸性水，當(dāng)酸性水pH值為4.5～7.0時(shí)可引起容器或管道內(nèi)壁金屬發(fā)生酸性水腐蝕，如果介質(zhì)與奧氏體不銹鋼接觸則易發(fā)生點(diǎn)蝕及縫隙腐蝕。

2.2 二氧化碳腐蝕

在CO2和H2O共存條件下，CO2溶于水形成碳酸（H2CO3），使水中的pH值降低，導(dǎo)致碳鋼發(fā)生CO2腐蝕，主要表現(xiàn)為均勻腐蝕或點(diǎn)蝕。在低溫甲醇洗裝置中，CO2是原料氣的一個(gè)重要組成，在CO2濃度較高的吸收工段容易導(dǎo)致相關(guān)容器和管道發(fā)生CO2腐蝕。

2.3 大氣腐蝕和保溫層下腐蝕

大氣腐蝕通常發(fā)生在設(shè)備表面漆層損壞或脫落的部位、未敷設(shè)絕熱層的容器及管道支撐部位，會(huì)造成相關(guān)部位均勻減薄或局部減薄。

敷設(shè)絕熱層的碳鋼和低合金鋼容器或管道易發(fā)生保溫層下腐蝕。在低溫甲醇洗裝置中，保溫層下腐蝕常發(fā)生在絕熱層、油漆或涂層明顯損傷的部位、設(shè)備底部積液部位、接管部位、帶有保溫的支撐圈和塔器的平臺(tái)等部位。

2.4 氨應(yīng)力腐蝕開裂

在低溫甲醇洗裝置中的分離器、液氨過冷器、閃蒸甲醇冷卻器、液氨貯槽以及部分換熱器和管道等設(shè)備，材質(zhì)多為碳鋼和低合金鋼，在無水的液氨環(huán)境中易發(fā)生氨應(yīng)力腐蝕開裂。氨應(yīng)力腐蝕開裂在換熱器管束表面產(chǎn)生單一或有分支的裂紋；未經(jīng)熱處理的碳鋼材料焊縫區(qū)域和熱影響區(qū)，若暴露于液氨中也可能發(fā)生氨應(yīng)力腐蝕開裂。

2.5 濕硫化氫腐蝕

濕硫化氫腐蝕主要有四種形式，分別為氫鼓包、氫致開裂、應(yīng)力導(dǎo)向氫致開裂和硫化物應(yīng)力腐蝕開裂。碳鋼和低合金鋼容易產(chǎn)生濕硫化氫腐蝕，關(guān)鍵影響因素為環(huán)境條件（pH值、硫化氫含量、雜質(zhì)和溫度）、材料性能（硬度、組織和強(qiáng)度）和拉應(yīng)力水平。

2.6 氯化物應(yīng)力腐蝕開裂

在低溫甲醇洗裝置中，部分壓力容器和壓力管道材質(zhì)為奧氏體不銹鋼，當(dāng)介質(zhì)中存在氯化物時(shí)，介質(zhì)中的氯離子可破壞不銹鋼表面的鈍化膜，當(dāng)存在拉伸應(yīng)力時(shí)，鈍化膜被破壞的區(qū)域就會(huì)產(chǎn)生裂紋，在腐蝕電池中形成陽極區(qū)，產(chǎn)生電化學(xué)腐蝕，最終可導(dǎo)致金屬開裂。

2.7 連多硫酸應(yīng)力腐蝕開裂

硫化鐵和氧、水發(fā)生反應(yīng)可產(chǎn)生連多硫酸，連多硫酸可使已敏化的奧氏體不銹鋼發(fā)生應(yīng)力腐蝕開裂。在低溫甲醇洗裝置的開停工階段，材質(zhì)為不銹鋼或不銹鋼襯里且介質(zhì)中含硫的容器和管道易發(fā)生連多硫酸應(yīng)力腐蝕開裂。

2.8 沖刷腐蝕

沖刷腐蝕是金屬表面與腐蝕性流體介質(zhì)之間由于高速相對(duì)運(yùn)動(dòng)而引起的金屬損壞現(xiàn)象，是材料受沖刷和腐蝕交互作用的結(jié)果。在低溫甲醇洗裝置中，泵的過流部件、管道的彎頭和三通以及換熱管等都可能受到?jīng)_刷腐蝕的影響。

2.9 振動(dòng)疲勞

在低溫甲醇洗裝置中，與壓縮機(jī)及泵連接的管道在循環(huán)往復(fù)的振動(dòng)以及管道內(nèi)介質(zhì)動(dòng)態(tài)載荷作用下容易發(fā)生振動(dòng)疲勞開裂。影響管道振動(dòng)疲勞的關(guān)鍵因素有管道部件的應(yīng)力水平、幾何結(jié)構(gòu)、循環(huán)次數(shù)、振幅、頻率以及材質(zhì)的耐疲勞性。振動(dòng)疲勞破壞一般容易在材料應(yīng)力集中區(qū)域或表面缺陷的位置產(chǎn)生。

3 RBI分析的過程

3.1 資料的收集和整理

RBI評(píng)估所需要的資料通常有：設(shè)備設(shè)計(jì)圖紙、產(chǎn)品質(zhì)量證明書、安裝竣工資料、工藝運(yùn)行數(shù)據(jù)、檢驗(yàn)報(bào)告、介質(zhì)成分分析、設(shè)備腐蝕損傷情況、設(shè)備更換與維修記錄等［5］。資料收集整理后需建立RBI數(shù)據(jù)庫。

3.2 腐蝕回路劃分

依據(jù)低溫甲醇洗裝置中容器和管道的介質(zhì)成分及流動(dòng)速率、材質(zhì)特性、運(yùn)行溫度和操作壓力等因素綜合分析裝置中可能存在的損傷機(jī)理，以工藝流程的連續(xù)性來劃分腐蝕回路。

3.3 物流回路劃分

根據(jù)低溫甲醇洗裝置的工藝流程，以自動(dòng)關(guān)閉的閥、泵、壓縮機(jī)等作為關(guān)斷裝置將其劃分為若干個(gè)物流回路，劃分的原則是要保證回路中容器或管道的物料獨(dú)立性，一旦出現(xiàn)失效，該回路中的物料可以及時(shí)排出，而其他隔離段則不受影響。

3.4 風(fēng)險(xiǎn)分析

在風(fēng)險(xiǎn)分析中，采用了專家確定的腐蝕速率，如果分析結(jié)果為均勻腐蝕且有腐蝕監(jiān)測(cè)的測(cè)厚數(shù)據(jù)，則要參考測(cè)厚數(shù)據(jù)，同時(shí)也可參考API 581推薦的數(shù)據(jù)［6］。根據(jù)腐蝕數(shù)據(jù)、腐蝕回路和物流回路，利用風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估軟件計(jì)算容器和管道的失效可能性和失效后果，確定風(fēng)險(xiǎn)等級(jí)。

3.5 檢驗(yàn)策略的制定

裝置中壓力容器和壓力管道檢驗(yàn)策略的制定，一方面要依據(jù)風(fēng)險(xiǎn)分析結(jié)果，另一方面要充分考慮TSG 21—2016《固定式壓力容器安全技術(shù)監(jiān)察規(guī)程》和TSGD7005—2018《壓力管道定期檢驗(yàn)規(guī)則—工業(yè)管道》的相關(guān)要求。

4 風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估結(jié)果及相關(guān)分析

風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估的結(jié)果通常由失效可能性和失效后果組成，常采用5×5的風(fēng)險(xiǎn)矩陣來表示，失效后果和失效可能性各分為5個(gè)等級(jí)。在矩陣中沿左下方到右上方的對(duì)角線風(fēng)險(xiǎn)水平不斷增大。依據(jù)風(fēng)險(xiǎn)矩陣中失效后果和失效可能性的組合可將風(fēng)險(xiǎn)等級(jí)劃分為低風(fēng)險(xiǎn)等級(jí)、中風(fēng)險(xiǎn)等級(jí)、中高風(fēng)險(xiǎn)等級(jí)和高風(fēng)險(xiǎn)等級(jí)［7］。

4.1 RBI分析結(jié)果

依據(jù)低溫甲醇洗裝置的停工時(shí)間安排，以2019年10月30日為風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估時(shí)間點(diǎn)，對(duì)裝置的設(shè)備（含容器和管道）進(jìn)行風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估，其RBI分析結(jié)果見圖1，設(shè)備的風(fēng)險(xiǎn)統(tǒng)計(jì)結(jié)果見表1。

圖1 RBI分析結(jié)果

表1 設(shè)備的風(fēng)險(xiǎn)統(tǒng)計(jì)結(jié)果

從圖1和表1中可以看出，裝置整體風(fēng)險(xiǎn)水平不高，裝置中未出現(xiàn)高風(fēng)險(xiǎn)的設(shè)備；其中，中高風(fēng)險(xiǎn)的設(shè)備有32個(gè)，占比為10.26%；中風(fēng)險(xiǎn)的設(shè)備有179個(gè)，占比為57.37%；低風(fēng)險(xiǎn)的設(shè)備有101個(gè)，占比為32.37%。另外，失效可能性等級(jí)為4的設(shè)備有4個(gè)，其余設(shè)備的失效可能性等級(jí)均小于等于3。

4.2 風(fēng)險(xiǎn)分布情況

圖2為低溫甲醇洗裝置中設(shè)備和管道的風(fēng)險(xiǎn)分布。從圖2（a）可以看出，整個(gè)裝置中無高風(fēng)險(xiǎn)設(shè)備；在中高風(fēng)險(xiǎn)、中風(fēng)險(xiǎn)和低風(fēng)險(xiǎn)設(shè)備中，換熱器均有分布，其中，在中高風(fēng)險(xiǎn)和中風(fēng)險(xiǎn)的設(shè)備中，換熱器占據(jù)比例最高，而塔器和存儲(chǔ)罐只占小部分比例；在中風(fēng)險(xiǎn)設(shè)備中，所有類別均有分布；在低風(fēng)險(xiǎn)設(shè)備中，主要分布有少部分換熱器和分離器。從圖2（b）可以看出，無高風(fēng)險(xiǎn)管道，中高風(fēng)險(xiǎn)的管道比例較小，中風(fēng)險(xiǎn)和低風(fēng)險(xiǎn)的管道占大部分比例。

圖2 設(shè)備和管道的風(fēng)險(xiǎn)分布

根據(jù)風(fēng)險(xiǎn)結(jié)果及分布情況，分析發(fā)現(xiàn)裝置中存在的安全風(fēng)險(xiǎn)主要由較少的設(shè)備承擔(dān)，裝置中幾乎90%的安全風(fēng)險(xiǎn)僅由10%的設(shè)備承擔(dān)。因此，重點(diǎn)關(guān)注中高風(fēng)險(xiǎn)的設(shè)備（尤其是換熱器和管道），有針對(duì)性地制定科學(xué)的檢驗(yàn)策略，可以極大地優(yōu)化檢驗(yàn)資源，并將風(fēng)險(xiǎn)降低到可接受的范圍以內(nèi)。

4.3 中高風(fēng)險(xiǎn)設(shè)備失效分析

中高風(fēng)險(xiǎn)設(shè)備雖然整體占比不高，但仍不能忽視其風(fēng)險(xiǎn)水平可能導(dǎo)致的后果。中高風(fēng)險(xiǎn)的壓力容器，介質(zhì)為富硫甲醇或富甲醇，含有較多的CO2和H2S，容易出現(xiàn)二氧化碳腐蝕、濕硫化氫腐蝕等失效情況，導(dǎo)致甲醇泄漏；中高風(fēng)險(xiǎn)的壓力管道，材質(zhì)為奧氏體不銹鋼，介質(zhì)多為原料氣、合成氣和富甲醇，含有較多的H2S，容易在停工期間產(chǎn)生連多硫酸應(yīng)力腐蝕開裂。由于壓力管道失效造成裝置風(fēng)險(xiǎn)升高，導(dǎo)致有毒有害介質(zhì)的泄漏，會(huì)造成嚴(yán)重后果。

5 結(jié) 論

（1）在低溫甲醇洗裝置中主要存在的損傷機(jī)理有：酸性水腐蝕、二氧化碳腐蝕、大氣腐蝕、保溫層下腐蝕、氨應(yīng)力腐蝕開裂、濕硫化氫腐蝕、氯化物應(yīng)力腐蝕開裂、連多硫酸應(yīng)力腐蝕開裂、沖刷腐蝕、振動(dòng)疲勞和襯里失效等。

（2）在低溫甲醇洗裝置中沒有高風(fēng)險(xiǎn)設(shè)備，有32個(gè)中高風(fēng)險(xiǎn)設(shè)備，179個(gè)中風(fēng)險(xiǎn)設(shè)備，101個(gè)低風(fēng)險(xiǎn)設(shè)備。

（3）通過風(fēng)險(xiǎn)分布分析發(fā)現(xiàn)，在中高風(fēng)險(xiǎn)的設(shè)備中，換熱器占據(jù)很高比例，在壓力管道中，中高風(fēng)險(xiǎn)比例較低，整個(gè)低溫甲醇洗裝置中約10%的設(shè)備占據(jù)了90%的風(fēng)險(xiǎn)。

（4）對(duì)中高風(fēng)險(xiǎn)的設(shè)備分析發(fā)現(xiàn)：介質(zhì)為富硫甲醇或富甲醇的壓力容器易發(fā)生二氧化碳腐蝕和濕硫化氫腐蝕等失效情況；介質(zhì)為原料氣、合成氣和富甲醇的管道，材質(zhì)為奧氏體不銹鋼，易在停工期間產(chǎn)生連多硫酸應(yīng)力腐蝕開裂，造成裝置風(fēng)險(xiǎn)等級(jí)升高。

（5）通過RBI技術(shù)的應(yīng)用，為裝置檢驗(yàn)策略的制定提供了可靠依據(jù)。